Aalto-yliopisto Sähkötekniikan korkeakoulu Olli Oksa Palvelinsalien työympäristömelun selvitys
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten. Espoossa 20.11.2012 Valvoja: Professori Vesa Välimäki Ohjaaja: DI Sami Oksanen
AALTO-YLIOPISTO TEKNIIKAN KORKEAKOULUT PL 12100, 00076 Aalto http://www.aalto.fi DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä: Olli Oksa Työn nimi: Palvelinsalien työympäristömelun selvitys Korkeakoulu: Sähkötekniikan korkeakoulu Laitos: Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitos Professuuri: Audiosignaalinkäsittely Koodi: S-89 Työn valvoja: Professori Vesa Välimäki Työn ohjaaja: DI Sami Oksanen Palvelinkeskukset ovat paikkoja, joissa palvelimille ja muille tietoteknisille laitteille on järjestetty otolliset olosuhteet toimia jatkuvasti ilman palvelukatkoksia. Yksi edellytys olosuhteille on, että salin ja laitteiden toimintalämpötila pysyy riittävän alhaisena. Laitejäähdytys tuottaa kohinamaista melua, jolle palvelinsaleissa työskentelevät henkilöt altistuvat. Tässä diplomityössä selvitetään, minkälaista palvelinsalien melu on. Melun voimakkuutta ja melualtistustasoa verrataan lainsäädännössä annettuihin ohjearvoihin. Myös melun spektriominaisuuksia tutkitaan melun luonteen ymmärtämiseksi. Työn yksi päätarkoitus on selvittää, miten palvelinsalien meluominaisuuksia on yksinkertaista ja tehokasta mitata. Työssä otetaan selvää, miten salien akustisia ominaisuuksia voitaisiin kehittää melutason ja melualtistuksen pienentämiseksi sekä miten työtehoa olisi mahdollista parantaa vaihtoehtoisin keinoin. Tulosten perusteella palvelinsalien melu ei ylitä lainsäädännössä annettuja ylimpiä toiminnallisia raja-arvoja. Melu on kuitenkin niin voimakasta, että työntekijälle on tarjottava mahdollisuus kuulonsuojaukseen. Melun voidaan katsoa olevan niin häiritsevää, että se haittaa merkittävästi työntekoa ja alentaa työkykyä. Päivämäärä: 20.11.2012 Kieli: suomi Sivumäärä: 77 Avainsanat: palvelinsali, työympäristömelu, huoneakustiikka, meluntorjunta
AALTO UNIVERSITY SCHOOLS OF TECHNOLOGY PO Box 12100, FI-00076 AALTO http://www.aalto.fi ABSTRACT OF THE MASTER S THESIS Author: Olli Oksa Title: Survey on occupational noise in data centers School: School of Electrical Engineering Department: Signal Processing and Acoustics Professorship: Audio signal processing Code: S-89 Supervisor: Professor Vesa Välimäki Instructor: Sami Oksanen, MSc Data centers are places, where favourable circumstances are arranged for servers and other data-related hardware to work properly non-stop. One major requirement is that the operation temperature of the hardware is kept on a low enough level. Device cooling produces intense noisy sound field to which the employees working in the data centers are exposed. In this thesis the characteristics of the data center noise are studied. The magnitude of the noise level and noise exposure are put to contrast with the specifications given in legislation and regulations. Also the spectral properties of the noise are investigated to understand the character of the noise signal. One main purpose of this thesis is to find out, how data center noise properties are simple and efficient to measure. It is also examined, how the acoustic properties of data centers could be changed and developed to lower the noise and exposure levels and how the working efficiency could be improved with alternative ways. The results of this work indicate that the noise level does not exceed the uppermost legislative functional limit values. Nevertheless, the noise level is so high that the employer is obliged to offer an employee a possibility to personal hearing protection. Noise level can be considered so high that it significantly hampers the ability to work. Date: 20.11.2012 Language: Finnish Number of pages: 77 Keywords: data center, occupational noise, room acoustics, noise control
Alkusanat Tämä diplomityö on tehty Aalto-yliopiston Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitokselle. Työn aiheeseen, palvelinsalien työympäristömeluun, sain ensikosketuksen työnantajani Academican konesaleissa. Työni puolesta sain mahdollisuuden tutkia konesalien melua ja akustiikkaa. Diplomityön tekeminen on ollut haastava, mutta myös opettava ja palkitseva prosessi. Tällaisesta työstä en kuitenkaan olisi selviytynyt yksin ilman apua, joten haluan kiittää seuraavia henkilöitä, jotka ovat auttaneet ja mahdollistaneet työn tekemisen. Työni valvojaa, akustiikan professori Vesa Välimäkeä kiitän avoimesta suhtautumisesta, motivoimisesta ja erinomaisista ehdotuksista työn edistymisen aikana. Samaan hengenvetoon kiitän työn ohjaajaa, DI Sami Oksasta, jonka antamat käytännön ohjeet ja vinkit työn viemiseksi eteenpäin ovat olleet korvaamattoman tärkeitä. Työnantajaani Academica Oy:tä kiitän mahdollisuudesta tutkia palvelinsalien akustiikkaa ja esimiestäni Juhani Ristimäkeä ymmärryksestä poissaolotuntejani kohtaan. Kiitos myös Jan-Erik Sjöbergille yhteistyöstä Suvilahden salin mittausten osalta. Haluan kiittää ystäviäni ja perhettäni, eritoten Risto Hakalaa ja Heikki Erikssonia sekä veljeäni Anttia avusta työn saamisessa valmiiksi. Toisaalta olette myös tarvittaessa auttaneet saamaan ajatukset pois diplomityöstä. Viimeisen ja ehkä suurimman kiitoksen ansaitsee puolisoni Marjis. Ilman sua tää ei olis ikinä valmistunut. Espoo 20.11.2012 Olli Oksa
1 Sisällys Merkinnät... 5 Lyhenteet... 6 1 Johdanto... 7 2 Ääni, melu ja tilan akustiikka... 11 2.1 Ääni... 11 2.2 Äänitaso... 13 2.3 Melu... 16 2.4 Melua koskevat määräykset ja rajoitukset... 19 2.5 Työperäisen melun vaikutukset... 21 2.5.1 Fysiologiset vaikutukset... 21 2.5.2 Melun häiritsevyys... 22 2.6 Tilan akustiikka... 23 2.6.1 Vapaa kenttä... 23 2.6.2 Absorptio... 24 2.6.3 Suora ääni, aikaiset heijastukset ja kaiuntainen ääni... 25 2.6.4 Huonemoodit... 27 3 Palvelinsalit ja akustiset mittaukset... 28 3.1 Palvelinsalin kokoonpano... 28 3.1.1 Uspenskin sali... 29 3.1.2 Suvilahden sali... 31 3.1.3 Kiviaidankadun sali... 33 3.2 Mittaukset... 35 3.2.1 Mittauslaitteisto... 35 3.2.2 Äänitasomittaukset... 37 3.2.3 Melutason mittaaminen... 38 3.2.4 Vastemittaukset... 39 3.2.5 Jälkikaiunta-ajan mittaaminen... 41 4 Tulokset... 45 4.1 Konesalien äänitaso... 45 4.2 Konesalimelun spektri... 49 4.3 Konesalin jälkikaiunta-aika... 52 5 Johtopäätökset... 57
2 Lähteet... 59 Liitteet... 61
3 Kuvat Kuva 1: Tyypillinen palvelinsali (www.academica.fi)... 7 Kuva 2: Tyypillinen laitetuuletin (www.asia-manufacturer.com)... 8 Kuva 3: Sinifunktioita aika-tasossa... 12 Kuva 4: Sinifunktioita taajuustasossa... 12 Kuva 5: Sinifunktioiden spektrogrammi... 13 Kuva 6: Kuuloherkkyyskäyrästö (SFS-ISO 226)... 14 Kuva 7: A- ja C-painotuskäyrä... 15 Kuva 8: Melupäästö ja melutaso (Lahti 1995 mukaan)... 17 Kuva 9: Melun altistusrajojen täyttymiseen kuluva aika tunteina eri melutasoilla (80-90 db)... 19 Kuva 10: Äänikentän muodostuminen... 26 Kuva 11: Uspenskin salin pohjapiirustus... 30 Kuva 12: Suvilahden salin pohjapiirustus... 32 Kuva 13: Kiviaidankadun pohjapiirustus... 34 Kuva 14: Mittalaitteisto... 37 Kuva 15: A-painotettu melutason jakauma (76-90 desibeliä)... 37 Kuva 16: Mittalaitteisto Uspenskin konesalissa... 39 Kuva 17: Mikrofonilla mitattu A-painotettu valkoinen kohina Uspenskin konesalissa. 41 Kuva 18: Herätteenä käytetty valkoinen kohinasignaali signaalilähdössä... 42 Kuva 19: Jälkikaiunta-ajan määrittäminen energia-aikakäyrästä... 43 Kuva 20: Uspenskin salin melujakauma... 46 Kuva 21: Suvilahden salin melujakauma... 47 Kuva 22: Kiviaidankadun salin melujakauma... 48 Kuva 23: Uspenskin salin meluvaste... 50 Kuva 24: Suvilahden salin meluvaste... 50 Kuva 25: Kiviaidankadun salin meluvaste... 51 Kuva 26: Uspenskin energia-aikakäyrä... 53 Kuva 27: Suvilahden energia-aikakäyrä... 54 Kuva 28: Kiviaidankadun energia-aikakäyrä... 54
4 Taulukot Taulukko 1: Konesalien keskimääräinen melutaso L A,dB... 45
5 Merkinnät A [m 2 ] absorptiopinta-ala, absorptioala L Aeq [db] A-painotettu ekvivalenttitaso L E [db] äänialtistustaso L eq [db] ekvivalenttitaso L p [db] äänenpainetaso, äänitaso L pa [db] A-painotettu äänenpainetaso L WA [db] A-painotettu äänitehotaso L W [db] äänitehotaso S [m 2 ] pinta-ala T N [s] jälkikaiunta-aika, N desibelin vaimenema V [m 3 ] tilavuus W [W] ääniteho W 0 [W] nollaa desibeliä vastaava äänitehotaso ilmassa (1 pw) f [Hz] taajuus p [Pa] äänipaine p 0 [Pa] alin korvan havaitsema äänipaine (20 µpa) r [m] kaiuntasäde t [s] aika v [m/s] äänen nopeus ilmassa (340 m/s) α absorptiokerroin
6 Lyhenteet EU EU-OSHA FFT ISO MLS Euroopan unioni Euroopan työterveys- ja työturvallisuusvirasto European Agency for Safety and Health at Work Nopea Fourier n muunnos fast Fourier transform Kansainvälinen standardointijärjestö International Organization for Standardization Maksimipituusjono Maximum length sequence
7 1 Johdanto Palvelinsalit ja palvelinkeskukset ovat kasvava liiketoiminta-alue Suomessa palvelimien virtualisoinnin ja pilvipalveluiden yleistyessä. Palvelinkeskukset ovat rakennuksia, joissa säilytetään keskitetysti palvelimia, reitittimiä ja muita lämpöä tuottavia tietoteknisiä laitteita. Tyypillisesti salissa on riveittäin sijoitettuna laitekaappeja eli niin kutsuttuja räkkikaappeja. Kuva 1 on esimerkki laitekaappirivistä ICT-yritys Academican palvelinkeskuksessa. Yhteen laitekaappiin mahtuu enimmillään noin 40 palvelinta tai muuta laitetta. Laitekaapit on pääsääntöisesti sijoitettu niin, että ne vievät mahdollisimman vähän tilaa, mutta kuitenkin siten, että ilmanvaihto on riittävää ja laitteiden huoltaminen on mahdollista. Yhteen konesaliin mahtuu näin hyvin pieneen tilaan monta laitetta, joista jokainen tuottaa haittalämpöä. Verkkopalveluiden lisääntyessä ja konesaleissa sijaitsevien laitteiden määrän kasvaessa haittalämpö on alati suurempi ongelma laitteiden ja palveluiden toimivuudelle. Laitteiden lämpötila tulee pitää riittävän alhaisena, jotta ne eivät ylikuumene ja vikaannu. Kuva 1: Tyypillinen palvelinsali (www.academica.fi) Liikenne- sekä suoritinkapasiteetin lisääntyessä palvelinsalien tuottama hukkalämpömäärä kasvaa. Sen seurauksena saleissa sijaitsevat palvelimet ja reitittimet tarvitsevat yhä enemmän jäähdytystehoa, jotta koneiden toimintalämpötila pysyisi riittävän alhaisena. Pääosin tuulettimilla hoidettavan laitejäähdytyksen yksi haittapuoli on, että tuulettimet tuottavat paljon kohinamaista melua. Tyypillinen laitetuuletin on esitetty kuvassa
8 2. Laitesaleissa ei ole aina mahdollista työskennellä valvomotilasta käsin, vaan usein on käytännön syistä pakko päästä laitteen tai laitekaapin fyysiseen läheisyyteen tekemään ylläpito- ja huoltotöitä. Tämän vuoksi töitä joudutaan tekemään hyvin meluisissa olosuhteissa. Kuva 2: Tyypillinen laitetuuletin (www.asia-manufacturer.com) Tässä diplomityössä tutkitaan ja selvitetään, miten palvelinkeskuksissa esiintyvä melu vaikuttaa työntekijöihin työolosuhteisiin. Melun luonnetta on tarkoitus mitata ja sen häiritsevyyttä tai haitallisuutta on myös tarkoitus selvittää. Tutkimuksen kohteena on, ylittääkö konesalien melutaso työsuojeluhallinnon asettamia raja-arvoja melualtistuksen suhteen. Tulosten perusteella pyritään selvittämään, olisiko melua tai melualtistusta mahdollista vähentää esimerkiksi konesalin akustiikkaa parantamalla. Käytännön tasolla tätä ei salien tuotantokäyttöisyydestä johtuen voida selvittää vaan tuloksia täytyy analysoida teoreettisella tasolla. Tutkimuksen kohteena on kolme ICT-yritys Academican erilaista ja erikokoista konesalia, jotka sijaitsevat pääkaupunkiseudulla. Saleista kaksi on uudempia, energiatehokkaita ja asiakkaiden housing- ja co-locationtarpeisiin suunniteltuja moderneja saleja, joissa jäähdytysjärjestelmä toimii Helsingin Energian kaukokylmän avulla ja hukkalämpö puolestaan ohjataan Helsingin Energian kaukolämpöverkkoon. Kolmas sali on vanhempi, kooltaan huomattavasti pienempi ja lähinnä Academican omassa käytössä oleva sali, joka erilaisuudessaan on akustisesti mielenkiintoinen vertailukohta.
9 Konesalien melua ei juuri ole tutkittu aikaisemmin. Työympäristömelua yleensä sen sijaan on tutkittu paljon (Miller 1974; Nelson & Nelson 2005; Passchier-Vermeer & Passchier 2000). On osoitettu, että pitkäaikaisella melualtistuksella on kuulovaurioriskin lisääntymisen lisäksi vaikutuksia stressitasoon, työkykyyn ja keskittymiseen (Eurostat 2004). Työperäisen melualtistuksen on jopa havaittu kasvattavan sydäninfarktiriskiä (Ising et al. 1997). Työympäristömelun tutkimiseksi, ehkäisemiseksi tai vähentämiseksi on tehty säädöksiä muun muassa EU:ssa sekä Suomen työsuojelulaissa ja valtioneuvoston asetuksissa. Lait ja asetukset eivät kuitenkaan juuri ota kantaa siihen, miten meluisissa olosuhteissa voitaisiin parantaa työviihtyvyyttä ja sen myötä työskentelyn tehokkuutta (Euroopan parlamentti ja Euroopan Unionin neuvosto 2003). Tässä työssä pohditaan myös näitä näkökulmia. Konesaleissa työskentely edellyttää useimmiten kommunikointia joko toisen salissa työskentelevän henkilön kanssa tai puhelimitse. Kommunikointi meluisissa olosuhteissa on hyvin haastavaa, sillä puheen ymmärrettävyys madaltuu huomattavasti. Melutaso on niin korkea, että sen häiritsevyyden voi havaita salissa selvästi. Melualtistuksessa on yleisesti huomioitava kolme asiaa: melun tai melualtistuksen kesto, tyyppi ja voimakkuus. Koska palvelinkeskuksissa tuotettavat pilvipalvelut ovat luonteeltaan sellaisia, että palveluiden täytyy olla saatavilla vuoden jokaisena päivänä 24 tuntia vuorokaudessa, asettavat salien olosuhteet mittauksille erityisiä haasteita. Melu on saleissa aina läsnä. Laitteita ei voida mittauksen ajaksi sammuttaa, minkä vuoksi joidenkin akustisten parametrien, kuten jälkikaiunta-ajan mittaaminen ei kaikilla perinteisillä menetelmillä välttämättä onnistu liiallisen taustamelutason vuoksi. Työssä selvitetään, miten tasaisessa ja keskeytyksettömässä melussa voidaan melko yksinkertaisilla menetelmillä mitata työympäristömelun ominaisuuksia. Usein melulta voidaan suojautua kuulosuojauksella, mutta tässä työssä on tarkoitus selvittää myös, miten työviihtyvyyttä ja tehokkuutta voitaisiin parantaa muillakin keinoin. Melun jatkuvuus ja tasainen luonne eivät ole ainoastaan palvelinsalien ongelma vaan samanlaiset olosuhteet löytynevät monelta teollisuuden alalta, jossa tuotetaan asioita keskeytyksettä. Palvelinkeskukset tarjoavat hyvän ympäristön tutkia jatkuvan ja melko voimakkaan työympäristömelun ominaisuuksia ja tutkimuksen perusteella on tarkoitus selvittää, miten havaittuja keinoja voitaisiin soveltaa yleisemminkin vastaavanlaisissa meluolosuhteissa.
10 Luvussa kaksi käydään läpi työssä esiin nousevaa akustista taustateoriaa. Luvussa kolme käsitellään tutkimuksen kohteena olevat konesalit sekä niiden ominaisuudet. Luvussa käydään myös läpi konesaleissa tehdyt mittaukset. Luvussa neljä tutkitaan luvussa kolme esiteltyjen mittausten tuloksia ja luvussa viisi esitetään tulosten perusteella tehdyt johtopäätökset ja lukujen neljä ja viisi perusteella esitetään, miksi palvelinsalien akustiseen suunnitteluun ja työntekijöiden työoloihin tulisi kiinnittää aikaisempaa enemmän huomiota.
11 2 Ääni, melu ja tilan akustiikka Tässä luvussa esitetään työssä tutkittavien akustisten ilmiöiden taustateoriaa ja yleisiä käytäntöjä. Meluun ja melualtistukseen liittyvät määräykset ja asetukset käydään läpi. Lisäksi esitellään tilan akustiikkaan vaikuttavia akustisia parametreja, kuten väliaineen absorptio sekä tilan jälkikaiunta-aika. 2.1 Ääni Ääni on mekaanisen aaltoliikkeen aiheuttama kuuloaistimus aivoissa. Ilmamolekyylien värähtely ja aaltoliike voidaan havaita ilmanpaineen vaihteluina, ilmamolekyylien tihentyminä tai suuren molekyylijoukon keskimääräisenä liikenopeutena, hiukkasnopeutena. Ääniaistimuksen aiheuttaa ilmanpaineen vaihtelu, minkä korva aistii ja välittää aistimuksesta tiedon aivoille. Tämän vuoksi kuulon ja melun kannalta riittää, että tutkitaan vain ilman painevaihteluita. (Lahti 1995) Ääniaistimuksen luonnehdintaan tarvitaan kolme fysikaalista ulottuvuutta: taajuus, aika ja äänenvoimakkuus. Voimakkuus vastaa äänipaineen laajuutta eli amplitudia ja taajuus äänen korkeusaistimusta. Aikaa tarvitaan, jos ääniaistimus eli esimerkiksi melu ei ole tasaista. Tällöin voidaan tarkastella melun kestoaikaa tai vaihtelua. (Lahti 1995) Ääntä voidaan tallentaa mikrofonin avulla. Tallennettua ääntä analysoidaan usein amplitudi-aikatasossa eli aikatasossa, jossa amplitudi kuvaa äänenvoimakkuutta ja toinen ulottuvuus on kulunut aika. Toinen usein käytetty analyysitaso on amplitudi-taajuustaso eli spektri, jossa toisena ulottuvuutena aikamuodosta poiketen on signaalin taajuus. Aikatasosta spektriin tai toisinpäin voidaan siirtyä Fourier-muunnoksen avulla. Esimerkiksi yhden sini-ääneksen aikatasoesitys on aaltoileva käyrä ja sen spektrissä on yksi piikki signaalin värähtelytaajuuden kohdalla. Tässä työssä tasomuunnokset tehdään FFT-algoritmin eli niin kutsutun nopean Fourier n muunnoksen avulla (Welch 1967). Aaltomuoto ja spektri voidaan yhdistää yhteen kolmiulotteiseen kuvaajaan, spektrogrammiin, jossa ulottuvuudet ovat aika, taajuus ja magnitudi. Jos magnitudi kuvataan väriskaalaa käyttäen, saadaan spektrogrammi kuvattua helposti kaksiulotteiseen tasoon. Spektrogrammikuvaajasta voidaan havainnoida ajan suhteen muuttuvaa taajuutta ja siitä
12 on usein helpompi hahmottaa pitkäkestoisia taajuuspoikkeamia, kuin suoraan spektristä. Kuvassa 3 on esitetty siniaaltoja sekä kuvassa 4 niiden Fourier-muunnoksia eli spektrejä taajuusalueessa. Kuvassa 5 on kuvan 3 sinisignaaleista piirretty spektrogrammi. 4 Aikatason signaali 3 2 1 Amplitudi 0 1 2 3 4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Aika Kuva 3: Sinifunktioita aika-tasossa 5 Tajuusvaste 4.5 4 3.5 Magnitudi 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Taajuus Kuva 4: Sinifunktioita taajuustasossa
13 1.2 Spektrogrammi 1 0.8 Taajuus 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Aika Kuva 5: Sinifunktioiden spektrogrammi 2.2 Äänitaso Äänipaine on ilmanpaineen vaihtelua staattisen normaali-ilmanpaineen suhteen. Vaihtelu on erittäin pientä ilmakehän ilmanpaineeseen verrattuna. Äänipainetta mitataan pascaleina (Pa). Vaihtoehtoisesti äänenpaine voidaan ilmaista desibeleinä (db), jolloin puhutaan äänipainetasosta (L p ). Äänipaineen saa muutettua äänipainetasoksi kaavassa 1 esitetyn mukaisesti, LL = 20 log pp pp, (1) missä p on mitattava äänipaine ja p 0 on logaritmimuodon vaatima vertailupaine 20 µpa. Ilmakehän ilmanpaine on noin 100 kpa. Miljoonasosa siitä eli 100 mpa vastaa noin 74 desibelin äänipainetasoa, mikä on suurempi äänenvoimakkuus, kuin ympäristössä yleensä esiintyy (Lahti 1995). Desibelejä käytetään, koska myös kuuloaisti toimii logaritmisesti. Kuulo aistii yhtä suuret suhteelliset muutokset äänipaineessa yhtä suurina.
14 Kuulon herkkyysalue on laajuudeltaan useita dekadeja sekä äänipaineen että taajuuden suhteen. (Robinson & Dadson 1957). Korva ei ole laajakaistaisesti herkkyydeltään lineaarinen, vaan se on kuvan 6 (SFS-ISO 226) mukaisesti herkimmillään noin 1000 Hz äänitaajuuksille. Kuvasta 6 nähdään, että kuulon herkkyys laskee enemmän 1000 hertsiä matalammilla, kuin sitä korkeammilla taajuuksilla. Taajuuden lisäksi myös äänen voimakkuus vaikuttaa kuulon havaitsemiskyvyn herkkyyteen etenkin matalilla taajuuksilla. Kuva 6: Kuuloherkkyyskäyrästö (SFS-ISO 226) Korvan epälineaarisen herkkyyden vuoksi laajakaistaisissa akustisissa mittauksissa käytetään usein taajuuspainotusta, jotta mikrofonin mittaama signaali vastaisi korvan havaitsemaa aistimusta paremmin. Erilaisia taajuuspainotuksia on useita. Ne ovat hieman toisistaan poikkeavia, mutta A-painotus on vakiintunut käyttöön etenkin melumittauksissa muiden painotusten jäädessä vähälle huomiolle. (Lahti 1995) A-painotusfunktio R taajuuden f suhteen voidaan laskea ISO-standardin 226 mukaan
15 RR ff = 12200 ff ff + 20,6 ff + 107,7 ff + 737.9 ff + 12200. (2) A-painotussuotimen taajuusvaste on esitetty kuvassa 7. Kuvaajaan on piirretty myös C- painotuksen painotuskäyrä, joka vastaa paremmin lineaarista mittausta. C- painotusfunktio voidaan puolestaan laskea kaavan 3 avulla. (ISO-226 2003) RR ff = 12200 ff ff + 20,6 ff + 12200 (3) 0 A ja C painotussuodatin A C Vahvistus (db) 10 20 30 100 500 1000 2000 5000 10000 20000 Taajuus (Hz) Kuva 7: A- ja C-painotuskäyrä A-painotussuodatin laskee melko jyrkästi alle 200 hertsin taajuuksilla. Mikäli melusignaali sisältää paljon energiaa tällä taajuusalueella eli alle sadan hertsin taajuudet ovat äänitasoltaan voimakkaita, on A-painotettu äänitaso merkittävästi lineaarista tasoa matalampi. A-painotuksen on suunniteltu vastaavan korvan taajuudeltaan epälineaarista toimintaa, joten melun häiritsevyyttä arvioitaessa painotuksen käyttö on vakiintunut, ja sen käyttöä suositellaan kirjallisuudessa laajalti (Rossing, Wheeler & Moore 2002; Lahti 1995).
16 2.3 Melu Melu on monien kansainvälisten tutkimusten mukaan yksi laajimmista ja häiritsevimmistä työympäristöongelmista. Melulle altistumisen on osoitettu vaikuttavan psyykkisiin toimintoihin, kuten keskittymis- ja suorituskykyyn sekä käyttäytymiseen. Melua vaimentamalla voidaan parantaa työympäristön viihtyvyyttä sekä työtehoa. (Työsuojeluhallinto 2012) Ääni käsitteenä ei sisällä minkäänlaista subjektiivista luonnehdintaa aistimuksen ominaisuuksista tai toisin sanoen siitä, miltä ääni kuulostaa. Melu sen sijaan on ei-toivottua tai epämiellyttävää ääntä, joten melussa on jo määritelmällisesti laadullisesti negatiivisia piirteitä. Jos melun määrä lisääntyy, lisääntyvät myös ei-toivotut ominaisuudet. Melusta voidaan katsoa olevan haittaa myös työympäristössä, jos se on intensiteetiltään riittävän suurta. (Nelson & Nelson 2005) Melun äänekkyyttä eli intensiteettiä mitataan useimmiten desibeliasteikolla. Kolmen desibelin tasonnousu vastaa intensiteetin kaksinkertaistumista. Esimerkiksi normaalin puheen tuottama äänekkyystaso on noin 65 desibeliä ja kovaa huutamisen noin 80 desibeliä. Näiden välinen 15 desibelin tasoero vastaa yli 30-kertaista intensiteettiä eli 15 desibelin lisäykseen tarvitaan yli 30-kertainen määrä äänienergiaa. Melun vahingollisuus ei määrity pelkästään intensiteetin perusteella. Myös altistumisaika on hyvin tärkeä. Tämä otetaan huomioon käyttämällä äänitason aikapainotettua keskiarvoa, jonka perustana työperäisessä melussa käytetään yleensä kahdeksantuntista työpäivää. Äänialtistustaso L E voidaan laskea kaavan 4 avulla, LL = 20log 1 pp (tt) dddd (4) tt pp jossa t 0 on vertailuaika (8 h) ja T on tarkasteluaika. Lisäksi korvan taajuuden mukaan muuttuva herkkyys huomioidaan melumittauksissa A-painotuksen avulla. (EU-OSHA 2002) Melusta puhuttaessa käytetään usein omaa terminologiaa, jolla on yhtäläisyyksiä muiden ympäristönsuojelun alojen termistön kanssa. Melulähteen voimakkuutta kutsutaan
17 melupäästöksi. Täsmällisesti se on meluavan äänilähteen säteilemä ääniteho, tavallisesti ilmaistuna A-painotettuna äänitehotasona L WA. Melupäästöstä käytetään myös termiä meluemissio. Paikka tai piste, joka on melun kohteena ja jossa melun haittavaikutukset voivat ilmetä, esiintyy melutaso. Täsmällisesti se on melun äänipaine, tavallisesti ilmaistuna A-painotettuna äänipainetasona eli äänitasona L pa. Luonteeltaan melutaso on samanlainen kuin muilla ympäristönsuojelun aloilla käytetty termi laskeuma. Melutasosta käytetään myös termiä meluimmissio. Melupäästö ja melutaso on esitetty kuvassa 8. (Lahti 1995) Kuva 8: Melupäästö ja melutaso (Lahti 1995 mukaan) Akustisesti melutaso on verrattavissa äänitehotasoon L w. Äänitehotaso ilmoittaa äänilähteen tuottaman akustisen tehon määrän. Ääniteho on äänilähteen paikasta ja ympäristöstä riippumaton ominaisuus. Kuitenkaan tuntematta ympäristöä ja äänilähteen sijaintia, ei äänitehotasosta suoraan voida päätellä, kuinka kovalta äänilähde kuulostaa. Äänitehotason määritelmä on esitetty kaavassa 5, LL = 10 log WW WW, (5) jossa W on mitattu ääniteho ja W 0 on logaritmiasteikon vertailuteho suuruudeltaan 1 pw. (Kuttruff 1999; Lahti 1995) Jotta äänitehon aiheuttamaa äänipainetta tarkastelupisteessä voitaisiin arvioida tarkasti, täytyy tuntea tilan jälkikaiunta-aika, lämpötila, äänilähteen etäisyys ja tulokulma. Jos äänikenttä oletetaan diffuusiksi, äänilähde pistemäiseksi ja ääniaalto palloaalloksi, voidaan äänitehon aiheuttamaa äänipainetaso etäisyydellä r approksimoida (Hongisto 2011)
18 LL = LL + 10 log 1 4πrr + 4 AA, (6) missä A on niin kutsuttu tilan absorptiopinta-ala, joka voidaan laskea Sabinen kaavaa (kaava 9) käyttäen, mikä esitellään myöhemmin luvussa 2.6. Kaavan 6 mukaan äänitasoon vaikuttavat äänilähteen tehotaso L w, etäisyys r äänilähteestä sekä absorptioala A. Käytännössä palvelinsaleissa usein ainoa parametri, johon voidaan vaikuttaa, on absorptioala. Jälkikaiunta-ajan mittaaminen on siksi tärkeää salin akustiikan suunnittelemisen kannalta. Koska konesalien melu on luonteeltaan jatkuvaa ja voimakkuudeltaan tasaista, voidaan altistuksen laskennassa käyttää altistustasojen sijasta ekvivalenttitasoja. Ekvivalenttitaso kertoo melusignaalin tehollisarvon tason ja sitä käytetään yleisesti arvioitaessa ympäristömelun häiritsevyyttä tai työperäisen melun aiheuttamaa kuulovaurion vaaraa. Määritettäessä kertatapahtumista koostuvan kokonaisilmiön ekvivalenttitasoa, voidaan kertatapahtumien ekvivalenttitasot laskea yhteen kaavan 7 mukaisesti, missä L eq on kokonaisekvivalenttitaso, L i on kertatapahtuman ekvivalenttitaso, T on tarkasteltava altistusajanjakso ja t 0 on kokonaisaika (Lahti 1995). LL = 10 log 10 TT (7) tt Kaavan 7 avulla saadaan laskettua, kuinka monta tuntia melutasossa voidaan oleskella, jotta tietty altistustaso on saavutettu. Kuvassa 9 on määritelty altistusrajoiksi 80, 85 ja 87 desibeliä ja kuvaajista voidaan määrittää näiden altistustasojen saavuttamiseen kuluva aika eri melutasoilla.
19 Melual stusrajan saavu amiseen kuluva aika (h) 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 Keskimääräinen melutaso (db) Al stusraja 80 db Al stusraja 85 db Al stusraja 87 db Kahdeksan tunnin raja Kuva 9: Melun altistusrajojen täyttymiseen kuluva aika tunteina eri melutasoilla (80-90 db) Kuvaajasta voidaan nähdä, että 90 desibelin melutasossa voi oleskella alle tunnin, jotta EU:n direktiivin suositusten mukainen 80 desibelin altistusraja alittuu. (Euroopan parlamentti ja Euroopan Unionin neuvosto 2003) 2.4 Melua koskevat määräykset ja rajoitukset Joka viides työntekijä EU-alueella joutuu työpaikallaan puhumaan ääntään korottaen tullakseen kuulluksi ja seitsemän prosentin on arvioitu kärsivän työperäisestä kuulonalenemasta (Eurostat 2004). Melualtistuksesta johtuva kuulonalenema onkin yleisimmin raportoitu ammattitauti EU-alueella (EU-OSHA 2002). Liiallisen melualtistuksen on tutkittu aiheuttavan kuulonaleneman lisäksi myös kohonnutta verenpainetta, sydänoireita, unihäiriöitä sekä keskittymis- ja oppimiskyvyn alenemista (Passchier- Vermeer & Passchier 2000; Euroopan parlamentti ja Euroopan Unionin neuvosto 2003). Työperäisen melun altistukselle on määrätty EU:ssa ja Suomessa tarkat rajat. Jos melualtistus ylittää raja-arvot, on työnantajan velvollisuus puuttua asiaan. EU-direktiivi 2003/10/EY määrittelee melualtistusrajat seuraavasti: melualtistuksen yläraja L Aeq 87 db
20 melualtistuksen ylempi toimintaraja L Aeq 85 db melualtistuksen alempi toimintaraja L Aeq 80 db Jos päivittäinen melualtistus ylittää alemman toimintarajan 80 desibeliä, on työnantajan huolehdittava, että työntekijöillä on mahdollisuus henkilökohtaiseen kuulonsuojaukseen. Altistustason ylittäessä 85 desibeliä, on työnantajan huolehdittava, että henkilökohtaista kuulosuojausta käytetään. Jos altistustaso ylittää 87 desibeliä, on työnantajan viipymättä saatettava altistuminen raja-arvoa pienemmäksi ja lisäksi selvitettävä, miksi raja ylittyi. (Euroopan parlamentti ja Euroopan Unionin neuvosto 2003; Työsuojeluhallinto 2012) EU-direktiivi 2003/10/EY määrää työnantajan osoittamaan, että melutaso on rajojen mukainen. Lisäksi direktiivi velvoittaa työnantajan ottamaan huomioon seuraavia meluun ja melutason arviointiin liittyviä seikkoja: impulssimelun taso, tyyppi ja altistusaika melun vaikutukset työntekijään, mikäli he kuuluvat melulle alttiiseen riskiryhmään melun ja tärinän vaikutukset työntekijän terveyteen varoitusäänien ja melun suhteellinen epäsuora vaikutus työturvallisuuteen vaihtoehtoisten, vähemmän melua tuottavien työtarvikkeiden käytön mahdollisuus tavallista pidempien työjaksojen vaikutus melualtistukseen melun aiheuttamista riskitekijöistä tiedottaminen tilanteeseen sopivasta kuulonsuojauksesta huolehtiminen Melun vähentämiseksi direktiivi edellyttää selvittämään seuraavia altistukseen vaikuttavia tekijöitä: pienemmän melualtistuksen aiheuttavat vaihtoehtoiset työtavat pienemmän melualtistuksen työskentelytilojen asianmukainen suunnittelu melua tuottavien työvälineiden asianmukainen käyttökoulutus ilmaääneneristävyyden ja rakenneääneneristävyyden parantaminen
21 työn järjestäminen siten, että altistusajat eivät ole liian pitkiä Lisäksi direktiivin mukaan työntekijällä tulee olla mahdollisuus päästä tarkastuttamaan kuulonsa, mikäli ylempi 85 desibelin altistusraja ylittyy. Alemman 80 desibelin rajan ylittyessä työntekijällä tulee olla mahdollisuus osallistua kuulovaurioita ehkäisevään audiometriakokeeseen, jossa tutkitaan, onko työntekijä erityisen altis meluperäiselle kuulovauriolle. (Euroopan parlamentti ja Euroopan Unionin neuvosto 2003) 2.5 Työperäisen melun vaikutukset 2.5.1 Fysiologiset vaikutukset Työperäisen melun vaikutusta työntekoon ja kuulokykyyn on tutkittu viime vuosikymmeninä paljon (Miller 1974; Persson & Björkman 1988). Melun aiheuttama kuulonalenema on peruuttamaton sensorineuraalinen häiriö, joka aiheutuu useimmiten pitkittyneestä ja toistuvasta melualtistuksesta. Kuulonalenema aiheuttaa kommunikointiongelmia ja vaikeuttaa näin häiriöstä kärsivien henkilöiden sosiaalista kanssakäymistä ja sen on havaittu vaikuttavan elämänlaatuun huomattavasti jokapäiväisessä elämässä (Rachiotis, Charalambos & Spiros 2006). Tutkimuksissa on osoitettu, että melulla on selkeä yhteys kuulonalenemaan ja psyykkiseen hyvinvointiin. Melualtistuksen vaikutus kuulokykyyn on kuitenkin tunnettu jo 300 vuoden ajan. Rachiotisin, Charalambos n ja Spirosin mukaan 1700-luvun alkupuolella italialainen Ramazzini huomasi kupariseppien kuulon olevan selkeästi heikentynyt ja päätteli sen johtuvan työperäisestä melualtistuksesta. Nykyään työperäinen melu on yksi merkittävimmistä työperäisten sairauksien aiheuttajista. Yhdysvalloissa vuonna 1990 yli 11 miljoonaa työntekijää altistui työpaikallaan vaarallisen voimakkaalle melulle ja samana vuonna maksettiin yli 200 miljoonaa dollaria korvausta melun aiheuttamista kuulovaurioista. Ruotsissa vastaavasti yhdeksän prosenttia työväestöstä altistui erityisen voimakkaalle melulle ja maksetun korvauksen määrä ylitti 100 miljoonaa dollaria. (Rachiotis, Charalambos & Spiros 2006) Rachiotis työryhmineen tutki 94:n sähköteollisuuden tuotantotyöntekijän melualtistuksen vaikutusta kuuloon. Vertailuryhmäksi valittiin 51 toimistotyöntekijää, joiden ei oletettu altistuvan merkittävästi melulle työssään. Työpaikkojen äänen keskimääräinen
22 ekvivalenttitaso L eq oli sähköteollisuuden työntekijöillä 91 desibeliä ja toimistotyöntekijöillä 78 desibeliä. Tutkimukseen osallistuneilta mitattiin kuulokynnys oktaavikaistoittain 250 hertsistä 8000 hertsiin. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että jopa 44 prosentilla sähköteollisuuden työntekijöistä oli merkittävä kuulonalenema, erityisesti 4000 hertsin kaistalla. Toimistotyöntekijöiden kuulokynnys oli tilastollisesti normaali. (Rachiotis, Charalambos & Spiros 2006) 2.5.2 Melun häiritsevyys Melulla on osoitettu olevan fysiologisten vaikutusten, kuten kuulonaleneman lisäksi myös subjektiivisia vaikutuksia. Melu voi olla ärsyttävää tai se voi häiritä jotain muuta toimintaa, kuten nukkumista, TV:n katselua tai työntekoa. Äänen häiritsevyys on kuitenkin hyvin subjektiivinen käsite, jossa henkilökohtaiset erot häiritsevyyden määrästä voivat vaihdella huomattavasti. Häiritsevyystuntemukseen vaikuttavat myös äänen ulkopuoliset tekijät, kuten se, missä kontekstissa häiritsevä ääni esiintyy. Tutkittavan henkilön vireystila vaikuttaa myös häiritsevyysaistimuksen muodostumiseen. Tämän vuoksi äänen häiritsevyyttä mitattaessa on tärkeää, että sitä ei arvioida täysin avoimella asteikolla vaan arviointikysymykset tulisi kohdentaa johonkin häiriön aiheuttajan osatekijään. (Schultz 1987) Melun häiritsevällä vaikutuksella voi olla myös päinvastainen vaikutus. Jos melun vuoksi jonkin yksinkertaisen tehtävän suorittaminen, kuten puhelimessa puhuminen vaikeutuu, voi melun häiriövaikutus välillisesti häiritä myös muita suoritettavia asioita stressitekijöiden lisääntyessä. Etenkin pitkäaikainen melualtistus voi aiheuttaa voimakkaita psyykkisiä reaktioita, kuten stressiä ja vireystilan alenemista. Tällä on taas katsottu olevan suora vaikutus henkilön työkykyyn ja hyvinvointiin. (Schultz 1987) On osoitettu, että etenkin matalataajuinen (20 200 Hz) ilmanvaihtojärjestelmien synnyttämä melu vaikuttaa enemmän henkilöiden suorituskykyyn kuin normaali laajakaistainen melu. Vaikka laajakaistainen melu voi suoraan häiritä tai estää jonkin hyötysignaalin kuulemisen, voivat matalataajuisen melun vaikutukset olla vielä haitallisempia. Perssonin tutkimusryhmineen tekemässä tutkimuksessa havaittiin, että testihenkilöiden kognitiiviset kyvyt alenivat merkittävästi, kun heidät altistettiin matalataajuiselle melulle. Matalataajuisen melun häiritsevyys kasvaa altistusajan kasvaessa. Pitkäkestoisten
23 vaikutusten lisäksi matalataajuisen melun todettiin aiheuttavan lyhyehköilläkin altistusajoilla väsymystä ja keskittymiskyvyn alenemista. (Persson et al. 1997) Melun häiritsevyyteen vaikuttaa merkittävästi matalien taajuuksien korostuneisuuden lisäksi myös, jos melusignaali sisältää tonaalisia eli soinnillisia komponentteja. Tällöin melusignaalista voidaan kuulla tonaalisen komponentin perustaajuudella oleva äänenkorkeus. Soinnillisuutta meluun syntyy silloin, kun tietty taajuus korostuu melusignaalin spektrissä. Tällaista aiheuttavat usein esimerkiksi tietyllä taajuudella pyörivät tuulettimet. Tonaalisten komponenttien olemassaolo vastaa häiritsevyydeltään keskimäärin kuuden desibelin äänitason korotusta eli epäkoherenteilla äänilähteillä, kuten konesalimelun tapauksessa, äänilähteen äänipaineen nelinkertaistumista. Tonaalisia komponentteja sisältävän melun voidaan näin katsoa olevan huomattavasti spektriominaisuuksiltaan epätonaalista melua häiritsevämpää. (Landström et al. 1995) Vaikka melua ja sen häiritsevyyttä usein mitataan A-painotettujen äänitasojen avulla, Leventhall osoittaa tutkimuksessaan, että A-painotus aliarvioi matalataajuisen melun häiritsevyysvaikutuksia 200 hertsin alapuolisilla taajuuksilla. Tutkimuksen mukaan matalataajuista melua ja sen häiritsevyyttä ja haitallisuutta tulisi pikemminkin arvioida C- painotuksen avulla. C-painotus ei vaimene yhtä voimakkaasti kohti matalia taajuuksia, kuin A-painotus. Leventhall esittää tutkimuksessaan, että jos C-painotuksen ja A- painotuksen välinen erotus on yli 20 desibeliä, on mitattavassa tilassa mahdollisesti matalataajuisen melun ongelma. (Leventhall 2004) 2.6 Tilan akustiikka Tilan akustiikka määrittelee sen, miten ääni käyttäytyy huonetilassa. Äänen kulku, vaimentuma eli absorptio sekä äänen heijastuminen ovat tilan akustiikkaan vaikuttavia tekijöitä. Huonetilan akustiset ominaisuudet määrittelevät ja muovaavat yhdessä äänilähteen ominaisuuksien kanssa äänestä sellaisen, millaisena se voidaan mitata tai havaita. (Rossing, Wheeler & Moore 2002) 2.6.1 Vapaa kenttä Vapaaksi kentäksi kutsutaan äänikenttää, jossa äänipaine vaimenee suhteessa 1/r, kun etäisyys r äänilähteeseen kasvaa. Jos äänilähde on niin pieni, että sitä voidaan pitää pis-
24 telähteenä ja se on riittävän kaukana heijastavista pinnoista, voidaan äänikenttää pitää vapaana kenttänä. Ääniaallot etenevät joka suuntaan äänilähteestä muodostaen niin kutsutun palloaallon. Vapaassa kentässä äänipaineen puolittuessa etäisyys lähteeseen kaksinkertaistuu. Desibelin määritelmän mukaan vapaassa kentässä äänitaso laskee aina 6 desibeliä, kun etäisyys lähteeseen kaksinkertaistuu. Sisätiloissa vapaa kenttä ei kuitenkaan juuri koskaan toteudu, lukuun ottamatta niin sanottuja kaiuttomia huoneita. Varsinkin pienemmissä huoneissa ääni ei usein ehdi kulkea pitkää matkaa, ennen kuin se törmää seinään tai muuhun pintaan. Tällaiset pinnat heijastavat ja absorboivat ääntä tavalla, joka suurimmilta osin määrittää huoneen akustiset ominaisuudet. (Rossing, Wheeler & Moore 2002) 2.6.2 Absorptio Väliaineen kykyä vastustaa äänen etenemistä kutsutaan absorptioksi. Kun ääniaalto törmää pintaan, osa energiasta heijastuu takaisin ja osa muuttuu lämpöenergiaksi eli absorboituu väliaineeseen. Jos pinta heijastaa kaiken siihen osuvan äänen takaisin, sen absorptiokerroin α = 0. Jos pinta sen sijaan absorboi kaiken siihen kohdistuvan äänienergian, α = 1. Käytännössä kaikille kiinteille materiaaleille absorptiokerroin on nollan ja yhden välillä eli ne heijastavat osan äänestä takaisin. Absorptio muuttuu taajuuden funktiona, joten absorptiokertoimet määritellään usein esimerkiksi oktaavikaistoittain 125 Hz:stä 4 khz:iin. (Rossing, Wheeler & Moore 2002) Absorptiokertoimen avulla voidaan pinnalle, kuten huoneen seinälle, määrittää absorptioala A kaavan 8 avulla. AA = SS α (8) missä S on pinnan pinta-ala ja α on absorptiokerroin. Absorptiopinta-ala lasketaan erikseen kaikille pinnoille i, ja näiden summasta muodostuu kokonaisabsorptioala A. Absorptioalan yksikkö on m 2. (Rossing, Wheeler & Moore 2002)
25 2.6.3 Suora ääni, aikaiset heijastukset ja kaiuntainen ääni Äänennopeus ilmassa normaaliolosuhteissa on noin 340 m/s. Sisätiloissa äänilähteestä tuleva suora ääni saavuttaa kuulijan noin 10 millisekunnin jälkeen tai myöhemmin, riippuen äänilähteen ja kuulijan etäisyydestä. Ensimmäiset seinistä tulevat heijastukset saapuvat noin 40 millisekunnin jälkeen. Näitä ensimmäisiä heijastuksia kutsutaan aikaisiksi heijastuksiksi. (Cremer & Müller 1982) Aikaisten heijastusten jälkeen heijastuksia saapuu tiheämmin ja tiheämmin ja kaikista suunnista niin, että yksittäisiä heijastuksia on enää vaikea erottaa toisistaan. Tällaista äänikenttää kutsutaan kaiuntaiseksi äänikentäksi. Kaiuntaisen äänikentän ääni muistuttaa jatkuvaa ääntä ja sen taso nousee, kunnes heijastusten määrä ei enää kasva. (Cremer & Müller 1982) Kun äänilähde sammutetaan, alkaa äänipainetaso laskea lähes vakionopeudella, kunnes ääni häviää kuulumattomiin. Tätä äänen vaimenemisaikaa kutsutaan jälkikaiunta-ajaksi. Jälkikaiunta-aika kuvaa huoneen tai tilan vastetta, tarkemmin tilan impulssivasteen verhokäyrän ominaisuuksia yhdellä luvulla. Kuvassa 10 on esitetty äänikentän muodostuminen kaiuntaisessa huoneessa. Kuvan yläosassa on kuvattu äänilahteen alku ja loppu ajan funktiona. Kuvan alaosassa on eri värein eritelty miten havaitussa äänessä suora ääni, ensimmäiset heijastukset, kaiuntainen ääni ja jälkikaiunta muodostuvat suhteessa äänilähteeseen. Punainen viiva edustaa suoran äänen osuutta, vihreä ensimmäisiä heijastuksia, keltainen kaiuntakenttää ja sininen jälkikaiunta-aikaa. (Cremer & Müller 1982)
26 Kuva 10: Äänikentän muodostuminen Kaiuntakenttä ja heijastukset vahvistavat äänitasoa merkittävästi, joten huoneakustiikkaa tarkasteltaessa ei riitä, että ainoastaan suoran äänen vaikutus otetaan huomioon. Mitä suuremmaksi etäisyys r äänilähteestä kasvaa, sitä suurempi osuus äänitasosta muodostuu huoneen heijastuksista ja suoran äänen osuus pienenee. Kaiuntakentässä heijastuneen äänen osuus on suurempi kuin suoran äänen, ja ääni ei enää vaimene etäisyyden kasvaessa. (Rossing, Wheeler & Moore 2002) Jälkikaiunta-aika T 60 on aika, joka kuluu siihen, kun äänilähteen sulkemisen jälkeen äänitaso on laskenut 60 desibeliä. Jälkikaiunta-aika T 60 voidaan laskea kaavalla 9 Sabinen kaavasta, jos huoneen tilavuus ja seinien absorptiopinta-ala tunnetaan. Täsmällisesti jälkikaiunta-aika on TT = 0,16 VV AA = 0,16 VV (9) ii α S
27 missä V on huoneen tilavuus, A on huoneen pintojen absorptiopinta-ala, α on heijastavan pinnan absorptiokerroin ja S on heijastavan pinnan pinta-ala. Jälkikaiunta-aikaan vaikuttavat siis huoneen tilavuus sekä absorptiopinta-ala eli seinien absorptiokyky. Käytännössä mitä suurempi huone, sitä pidempi jälkikaiunta-aika ja mitä enemmän absorptiota, sitä lyhyempi jälkikaiunta-aika. Vaikka jälkikaiunta-aika on vain yksi luku eikä se näin voi kertoa tilan akustisista ominaisuuksista kaikkea, kuvaa se hyvin tilan absorption määrää suhteessa tilavuuteen. Jälkikaiunta-aikaa pienentämällä, esimerkiksi lisäämällä tilan absorptiota, voidaan vaikuttaa melko yksinkertaisesti meluisan tilan äänekkyyteen. (Rossing, Wheeler & Moore 2002) 2.6.4 Huonemoodit Sisätiloissa tilan äänikenttään syntyy helposti niin sanottuja seisovia aaltoja eli huonemoodeja. Moodien muodostuminen on voimakkaimmillaan etenkin pienissä huoneissa, joissa katto on melko matalalla ja seinät lähellä ja kohtisuorassa toisiinsa nähden. Huonemoodit havaitaan parhaiten matalilla taajuuksilla, joiden äänenpituus on tilan mittojen suuruusluokkaa. Seisovat aallot ovat ääniaaltojen resonanssitaajuuksia, joita syntyy, kun huoneen dimensiot vastaavat ääniaallon pituutta tai pituuden kerrannaista. Huonemoodit saattavat näin joko vahvistaa tai vaimentaa aallonpituuden taajuudelle osuvaa ääntä. Seisovia aaltoja syntyy varsinkin, jos huoneen vastakkaiset seinät ovat keskenään yhdensuuntaiset eli tila on suorakulmaisen särmiön mallinen. Suorakulmaisen tilan, joka dimensiot ovat L, W ja H huonemooditaajuudet f lmn voidaan laskea ff = vv 2 ll LL + mm WW + nn HH, (10) missä v on äänennopeus ilmassa, ja l, m ja n ovat huonemoodien indeksit (0, 1, 2 ) (Rossing, Wheeler & Moore 2002). Huonemoodien merkitys korostuu, mitä pienempi huone on kyseessä ja jos äänilähteitä on vain yksi. Äänitason suuruus voi näin vaihdella riippuen siitä, osuuko vahvistava tai vaimentava huonemoodi juuri mittauspisteen kohdalle. Konesaleissa jokainen melua tuottava laite on käytännössä erillinen ja eri paikassa sijaitseva äänilähde. Huonemoodien muodostuminen ja havaitseminen voi näin olla vaikeaa. (Everest 2001)
28 3 Palvelinsalit ja akustiset mittaukset Tässä luvussa esitellään työssä tutkittavat Academican palvelinsalit. Tarkastelun kohteena ovat salien rakenteelliset sekä toiminnalliset ominaisuudet ja niiden vaikutus tilojen akustiikkaan. Lisäksi luvussa esitellään saleissa tehtyjen akustisten mittausten mittausmenetelmät ja käytetty mittalaitteisto. 3.1 Palvelinsalin kokoonpano Tutkimuksen kohteena on kolme erilaista ja erikokoista palvelinsalia. Kaikissa saleissa melupäästön lähteen perusmalli on samanlainen. Melun lähde on jonkin palvelinsalin laitteen, esimerkiksi reitittimen tai palvelimen yksittäinen tuuletin. Tuulettimien halkaisijan mitta vaihtelee noin viidestä senttimetristä kahteenkymmeneen senttimetriin. Koska tuulettimet ovat pieniä, pyörimisnopeudet nousevat korkeiksi. Tuulettimet tuottavat melko voimakkaasti äänitaajuuksia pyörimisnopeuden taajuudella, joten pienten palvelintuulettimien aiheuttaman melun vaikutus on voimakkainta 500 4000 hertsin alueella (Minogue, Rankin & Ryan 2000). Laitetuulettimien lisäksi konesalin oma ilmanvaihto tuottaa jonkin verran matalataajuista ääntä. Työssä mitattavista ja tutkimuksen kohteina olevista laitesaleista kaksi on suurempia, Helsingin kaukokylmäverkosta jäähdytystehonsa ottavia moderneja saleja. Kolmas sali on pinta-alaltaan pienempi ja siellä jäähdytys on hoidettu perinteisemmällä ilmastoinnilla. Pienempi sali on kokonsa vuoksi akustisilta ominaisuuksiltaan melko erilainen kuin uudet, isommat salit. Pienessä salissa laitteet ja laitekaapit ovat enemmän hajallaan ja myös sen akustiset ominaisuudet ovat pienemmän tilavuuden vuoksi esimerkiksi jälkikaiunta-ajan osalta todennäköisesti erilaiset. Kaikissa saleissa seinämateriaali on joko betonia, tiiltä tai rapattua kalliota, joiden akustiset ominaisuudet eivät juuri poikkea toisistaan. Betonin ja kiven absorptiokerroin α on alle 0,1 koko audiokaistalla, joten seinä-, katto ja lattiapinnat eivät oikeastaan absorboi ääntä ollenkaan. Usein absorptiomateriaalina käytetyn mineraalivillan absorptiokerroin on 0,56 0,98 taajuusalueella 125 Hz 4000 Hz, joten absorption ero on huomattava (Hongisto 2011). Saleissa ei juurikaan ole absorboivaa materiaalia, joka lisäisi äänenvaimennusta eli lyhentäisi jälkikaiunta-aikaa ja näin pienentäisi kokonaisäänitasoa.
29 Palvelimet ja muut verkkolaitteet ovat saleissa sijoitettuina laitekaappeihin, jotka ovat saleissa riveittäin kiinni toisissaan. Isommissa saleissa kaappien ilmanvaihto on usein järjestetty niin, että ilmastointilaitteiston ilmanvaihtajat puhaltavat joka toiseen kaappirivistön väliin lämmintä ilmaa ja vastaavasti imevät joka toisesta välistä kylmää ilmaa sisään. Kaappien väliin muodostuu näin vuorotellen kylmä- ja lämminilmakäytävä, joiden ilmanvaihto-olosuhteet ja mahdollisesti myös melutasot ovat erilaiset. Käytävät on eristetty toisistaan akryylimuovista valmistetuilla seinäkkeillä. Laitekaapit ovat materiaaliltaan ohuehkoa metallilevyä. Useissa kaapeissa on ilmanvaihtosyistä rei itetyt ovet ja sivulevyt. Osa kaapeista on myös kokonaan avoimia, joten niiden äänieristyskyky ei ole hyvä. Työskentely konesalissa tapahtuu usein laitekaappien välittömässä läheisyydessä varsinkin, jos kaapeissa olevia laitteita pitää huoltaa tai ylläpitää. Työtä ei siksi usein voida suorittaa erillisestä äänieristetystä valvomotilasta käsin. Lähellä melulähteitä työskennellessä äänitaso on korkeimmillaan. Tästä johtuen kommunikointi työtoverin kanssa on haastavaa ja varsinkin puhelimessa puhuminen edellyttää todella hyvää kohinanpoistoa puhelinlaitteistolta ja mieluiten kuulokkeiden käyttöä, jotta osapuolet saavat toistensa puheesta selvää. 3.1.1 Uspenskin sali Uspenskin palvelinkeskus sijaitsee Helsingissä Uspenskin katedraalin alapuolella. Se on louhittu kokonaan kallion sisään. Mitattu konesali on lattiapinta-alaltaan noin 120 m 2 ja tilavuudeltaan noin 550 m 3. Seinät ovat materiaaliltaan tiiltä tai rapattua kalliota ja ne ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan. Lattia on betonivalua ja katto on rapattua kalliota. Koska katto ja osa seinistä on epätasaista louhittua kalliota, huonemoodit eivät muodostu yhtä helposti ja tasaisesti, kuin jos kaikki seinä-, katto- ja lattiapinnat olisivat suoria ja kohtisuorassa toisiaan vasten. Tästä johtuen äänikentästä muodostuu diffuusimpi eivätkä äänitason vaihtelut huonemoodien vuoksi ole oletusarvoisesti niin suuria (Hongisto 2011). Uspenskin salin pohjapiirustus on nähtävissä kuvassa 11. Salin mitattu osa on rajattu kuvaan punaisella. Alueen mitat ovat 6 m x 21 m, joten tila on melko pitkänomainen.
30 Kuva 11: Uspenskin salin pohjapiirustus Uspenskin konesalin mitatussa salitilassa oli mittaushetkellä 42 laitekaappia, joista noin puolet oli kokonaan tai osittain kalustettu ja tuotantokäytössä. Salissa on siten vapaata kapasiteettia ja tilaa lisä-äänilähteille runsaasti. Laitekaapit on kalustettu siten, että salin
31 toisessa päässä ei ole kuin muutama laite. Tämän vuoksi salin toisessa, enemmän kalustetussa päässä, on oletettavasti huomattavasti korkeampi melutaso, kuin toisessa, vähemmän kalustetussa päässä. Konesalin jäähdytysjärjestelmä perustuu kaukokylmällä jäähdytetyn ilman kierrättämiseen laitekaapeissa. Joka toiseen laitekappirivin väliin puhalletaan jäähdytettyä ilmaa ja joka toisesta vastaavasti otetaan lämmin ilma takaisin jäähdytysjärjestelmään, jonka kautta lämmin ilma ohjataan Helsingin Energian kaukolämpöverkkoon. Kylmä- ja lämminilmakäytävät pyritään eristämään toisistaan, jottei lämmin ilma leviä jäähdytetyn ilman alueelle. Uspenskin konesalin kattopinta-ala on lattiapintaa hieman suurempi, noin 130 m 2. Seinien pinta-alat puolestaan ovat noin 90 m 2 pidemmillä seinillä ja noin 30 m 2 lyhyemmällä seinällä. Kaikkien seinäpintojen absorptiokertoimeksi α voidaan olettaa alle 0,1, koska seinät ovat materiaaliltaan kiveä. Absorboivaa materiaalia konesalissa ei juuri ole. Laitekaappien absorptiota ei oleteta merkittävän suureksi, koska metallin absorptiokerroin on pieni. 3.1.2 Suvilahden sali Suvilahden konesali on rakennettu Helsingin Energian vanhaan muuntamoon Helsingin Suvilahden teollisuusalueella. Tässä työssä mittauksessa on yksi Suvilahden palvelinkeskuksen saleista. Toisin kuin Uspenskissa, Suvilahden sali on kokonaan maan pinnan yläpuolella oleva betonista ja tiilistä rakennettu vanha teollisuuskiinteistö. Palvelinkeskuksessa on kolme kerrosta, joista jokaiseen voidaan rakentaa eri kokoisia saleja. Mitattu sali on lattiapinta-alaltaan noin 380 m 2 ja tilavuudeltaan noin 1150 m 3. Sali on suorakulmaisen särmiön muotoinen eli katto ja lattia sekä seinät ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden. Suvilahden salin pohjapiirustus on nähtävissä kuvassa 12. Salin seinien mitat ovat 21 m x 18 m, joten salin on enemmän neliön muotoinen kuin Uspenskin sali.
32 Kuva 12: Suvilahden salin pohjapiirustus Seinien materiaali on alumiinilevyllä päällystettyä tiiltä tai betonia, joiden välissä on yli 100 mm mineraalivillaa paloeristeenä. Katto on alumiinilevyä, jonka alla on suoraan betoni. Lattia on korotettu noin 40 cm rakennuksen betonivaletusta anturasta ja korotettu pinta on materiaaliltaan laminoitua betonitäytteistä rakennuslevyä. Suvilahden salissa oli mittaushetkellä noin 90 laitekaappia, jotka olivat sijoitettuna siten, että salin keskiosaan jää tyhjää ja käyttämätöntä tilaa. Melu ei näin ole jakautunut tasaisesti koko salin alueelle. Kuten Uspenskin salissa, myös Suvilahden salissa on vielä runsaasti tilaa uusille palvelinkaapeille, joten melulähteiden määrä voi kasvaa mittaushetkestä jopa kaksinkertaiseksi. Suvilahden salin jäähdytys perustuu samanlaiseen kaukokylmän avulla toimivaan järjestelmään, kuin edellä kuvattu Uspenskin järjestelmä. Suvilahdessa kaikkia laitekaappeja ei ole eristetty toisistaan, joten kylmä ja lämmin ilma pääsevät vapaammin sekoittumaan keskenään.
33 Suvilahden salin kattopinta-ala on sama kuin lattian eli noin 380 m 2. Seinien ala on noin 60 m 2 pidemmällä, ja noin 55 m 2 lyhyemmällä seinällä. Absorptiokertoimen α voidaan tässäkin salissa olettaa olevan kaikilla seinäpinnoilla alle 0,1. 3.1.3 Kiviaidankadun sali Kolmas työssä mitattu sali poikkeaa kahdesta edellisestä monella tapaa. Tila sijaitsee Helsingin Lauttasaaressa vanhassa teollisuuskiinteistössä ja se on kokonaan maan alla. Sali on kolmesta työssä mitatusta salista sekä pinta-alaltaan että tilavuudeltaan selvästi pienin, tilavuuden jäädessä alle 200 kuutiometriin. Salissa oli mittaushetkellä 10 laitekaappia ja se ei mittaushetkellä ollut kovin täyteen kalustettu. Tämän vuoksi salissa työskennellään merkittävästi vähemmän kuin Uspenskin tai Suvilahden saleissa. Pienen kokonsa vuoksi se tarjoaa kuitenkin akustisesti hyvän vertailupohjan suurempien salien tutkimiselle. Kiviaidankadun salin pohjapiirustus on nähtävissä kuvassa 13. Salin seinien mitat ovat 8 m x 8 m eli sali on neliön muotoinen.